Egyetlen rejtélyes jel felkutatása helyett mindjárt két merőben új fizikai formációt hozott felszínre a legújabb kísérlet. A kvarkok és gluonok alkotta mikrovilág határait feszegető kutatók az amerikai Thomas Jefferson Nemzeti Gyorsító Laboratóriumban olyan szubatomi alakzatokra bukkantak, amelyek nem illeszkednek a hagyományos részecskefizikai skatulyákba. A friss felfedezés az úgynevezett egzotikus részecskék különös csoportját gyarapítja, miközben újraírhatja az erős kölcsönhatás működéséről alkotott elképzeléseinket.
A szubatomi világ kutatói évtizedek óta küzdenek a hadronok növekvő sokaságának rendszerezésével. Az 1964-ben megalkotott kvarkmodell szerint a mezonok rendszerint egy kvarkból és annak antirészecskéjéből, az antikvarkból épülnek fel. A modern részecskegyorsítók mérései során azonban sorra bukkantak fel olyan képződmények, amelyek fittyet hánynak erre az egyszerű képletre. Mivel a fizikusok gyorsabban észlelték ezeket az anomáliákat, mint ahogy nevet adhattak volna nekik, a szakma kollektíven XYZ állapotokként kezdte emlegetni őket.
A hiányzó jel helyett talált két meglepetés
A Jefferson Lab kísérleti D-csarnokában működő GlueX együttműködés csapata eredetileg egy korábban már észlelt exotikus részecskét, a Y(2175) állapotot szerette volna megfigyelni egy proton céltárgyra irányított, nagy energiájú fotonnyaláb segítségével. Ezt az állapotot korábban elektron-pozitron ütközésekben mutatták ki, fotonnal kiváltott folyamatban viszont még sosem sikerült igazolni. A kvantummechanikai tulajdonságai alapján a részecske nem viselkedik hagyományos kvark-antikvark párként: a kutatók szerint olyan hibrid mezon lehet, amelyben két ritka kvark mellett közvetlenül a gerjesztett gluonok alakítják a belső szerkezetet.
A várt jel azonban nem bukkant fel a fotonindukált mérések során. Helyette a detektorok két teljesen különálló, korábban sosem rögzített szerkezetet jeleztek a közeli tömegtartományban. Az egyik jel egy hozzávetőleg 2,24 gigaelektronvolt tömegű képződményre utalt, amelyet Y(2240) néven katalogizáltak, míg a másik forma, az X(1830), nagyjából 1,82 gigaelektronvolt környékén rajzolódott ki. A kutatók olyan fizikai folyamat révén láttak rá az egzotikus részecskék új generációjára, amely korábban teljesen feltáratlan volt ebben az energiasávban.
| Egzotikus részecskék megnevezése | Becsült tömeg | Statisztikai szignifikancia | Feltételezett belső felépítés |
|---|---|---|---|
| Y(2240) | ~2,24 GeV | 99,9994% (extrém megbízható) | Hibrid mezon vagy tetrakvark konfiguráció |
| X(1830) | ~1,82 GeV | 3 szigma (~99,7%) | Erős kölcsönhatás által kötött egzotikus állapot |
| Y(2175) (keresett állapot) | ~2,16 GeV | Nem detektált fotonnyalábbal | Strangeonium hibrid gerjesztett gluonokkal |
Tetrakvarkok és gluonikus hurkok a mikrovilágban
A mérési adatok megbízhatósága különösen a nehezebb szerkezet esetében kiemelkedő. A Y(2240) állapotot csaknem százezer százalékos bizonyossággal rögzítették, ami a kísérleti részecskefizikában a legszigorúbb felfedezési küszöböknek is megfelel. Az X(1830) jel három szigmás bizonyossága szintén komoly jelöltet jelent a további ellenőrzésekhez. Mindkét képződmény léte arra utal, hogy az anyag legmélyebb rétegeit összetartó erős kölcsönhatás jóval összetettebb geometriák kialakítására képes, mint amit a tankönyvi leírások évtizedeken át feltételeztek.
A feladat most az elméleti fizikusokra hárul. Fel kell tárniuk, hogy a most kimutatott formációk négy kvarkból álló tetrakvarkok, két különálló mezonból összeálló molekulaszerű alakzatok, vagy ténylegesen olyan hibrid állapotok, ahol a gluonmező saját rezgései közvetlenül járulnak hozzá a részecske össztömegéhez. A Physical Review Letters folyóiratban közzétett mérési adatok nyomán a kutatócsoportok világszerte új kísérleteket és modellszámításokat indítanak a ritka kvarkok viselkedésének pontosabb feltérképezésére.
A felfedezés alapvető jelentőségű a hazai nagyenergiás kutatások szempontjából is. A magyar részecskefizikusok, elméleti kutatók és az intézményi műhelyek évtizedek óta aktívan jelen vannak a hadronfizikai és kvantum-színdinamikai együttműködésekben. Az új adatsorok közvetlen alapot adnak a hazai kvark-gluon kutatócsoportoknak arra, hogy pontosítsák a szokatlan állapotok bomlási csatornáira vonatkozó szimulációikat.
Új spektroszkópiai fejezet nyílik a részecskefizikában
A Thomas Jefferson Laboratórium mérései rámutattak arra, hogy a nagy energiájú fotonok és protonok ütköztetése eddig elérhetetlen szemszögből enged betekintést az atommag mélyén zajló folyamatokba. A hagyományos elektron-pozitron és proton-proton ütköztetőkkel párhuzamosan a fotonindukált hadron-spektroszkópia önálló, nagy pontosságú kutatási iránnyá érett. A GlueX kísérlet következő mérési ciklusai már célzottan e két új struktúra belső kvantumszámait és bomlási mechanizmusait vizsgálják majd.
